一文深度了解SICK光電傳感器及其應用

　　SICK光電傳感器主要是由傳送光線的投光部位和接收光線的受光部位所組成。當投射的光線被檢測物體制遮蔽，或是反射回來時，到達受光部位的受光量就會產生變化。受光部位只要檢測到任何變化，就會將其轉換為電子信號并加以輸出。一般所使用的光線以可視光（主要為紅色，綠色、紅色則用來判別顏色）和紅外線占絕大部分。

　　如下圖所示，光電傳感器主要可分為3大類。

　　特點

　　SICK光電傳感器檢測距離較長

　　以對照型為例，其檢測距離可達到10m以上，長度為其他檢測方法（磁力、超音波等）所。

　　SICK光電傳感器對于檢測物體的限制條件較少

　　不同于近接傳感器，只能檢測金屬材質的物體，本傳感器的檢測原理為透過檢測物體進行遮光，因此無論是玻璃、木材、液體等大部分的物體皆能檢測。

　　SICK光電傳感器應答時間短

　　光本身以極為高速的方式行進，除了架構傳感器電路的電子零組件所需之機器動作時間外，所需的應答時間極短。

　　SICK光電傳感器解析度更高

　　借由高階的設計技術，讓投光光束必變為較小的光點，而且由于本產品采用特殊的受光光學系統結構，因此能實現高解析度的目標。如此一來，甚至連微小物體檢測或需要高精確度的位置檢測等皆能迎刃而解。

　　以非接觸方式完成檢測

　　機器本身不需要接觸到物體即可進行檢測，無論是檢測物體或傳感器不會因此受損。如此即可長時間使用傳感器。

　　進行顏色判別

　　檢測物體所產生的光線反射率及吸收率依投光波長、檢測物體的顏色組合而有所不同。光電傳感器就是利用此種性質，以檢測出物體的顏色。

　　調整更簡便

　　光電傳感器其中一種機型系采用投射可視光的方式，投光光束可一目了然，因此為檢測物體定位時更簡便。

　　原理

　　1.光的性質

　　當光線進入空氣或水中，經常以直線方式前進。

　　對照型傳感器使用狹縫板來檢測微小物體，就是運用光線的此種原理。

　　SICK光電傳感器當光線由折射率不同的介質，進入另一個介質面時，就會改變行進方向。

　　SICK光電傳感器光線照射在像是鏡子或玻璃等平面上后，反射回來的角度會和入射角相同，這就稱之為“正反射"。

　　由3個平面直角相交后所組成的形狀，即為所謂的“三面直角棱鏡"。

　　將光線投射到三面直角棱鏡后，光線就會反覆進行正反射，反射光最后到達方向與投光方向相反，這種反射方式就稱之為“回歸反射"。

　　原則上來說，大部分的回歸反射板系由邊角數公厘的三面直角棱鏡正確排列而成。

　　另外，像是白紙等不具光澤性的表面，由于光會被反射到所有的方向，因此稱之為“擴散反射"。擴散反射型產品的檢測方式正是利用此種原理。

　　?偏光

　　光波的震動方向會與行進方向互相垂直。光電傳感器主要使用LED作為光源。LED所投射出來的光線會朝與行進方向互相垂直的各種方向震動，此種反射方式稱為“無偏光"。將無偏光的震動方向限制于單一方向的光學濾鏡，即為所謂的“偏光濾鏡"。換句話說，當LED投射光線后，通過偏光濾鏡的光線僅會朝向單一方向震動，此種狀態就稱為“偏光"（正確地說，應稱為“直線偏光"）。如此一來，朝向某個方向（例如：垂直方向）震動的偏光就能通過僅朝垂直方向震動（水平方向）的偏光濾鏡了。

　　2.光源

　　?亮燈方式

　　<脈沖調變光方式>

　　大部分的光電傳感器多采用脈沖調變光，其原理就是會在固定周期內反覆進行投光。

　　此種方式不易受到外部干擾光所影響，適合長距離檢測。內置防止互相干擾功能的機型，其投光周期會因干擾光線或外部干擾光的因素而在固定范圍內改變。

　　<直流光方式>

　　此種方式會連續投射固定光量的光線，為標記傳感器所采用。直流光方式雖然具有高速應答性，但是檢測距離較短，易受外部干擾光影響等則為其缺點。

　　?光源顏色及種類

　　3.三角測距

　　距離設定型光電傳感器所采用的檢測原理，主要為三角測距法。下圖所示為三角測距法的原理。

　　投光元件所投射的光線會被擴散并反射到檢測物體上。反射光會透過受光透鏡，成像在位置檢測元件上（半導體元件會依光線與檢測元件接觸的位置輸出訊號）。當檢測物體被放置在靠近光學系統的位置A時，反射光會被成像在位置檢測元件的a位置，又，若是放置在離光學系統較遠的位置B，反射光就會成

　　像于b的位置。因此，僅需測量位置檢測元件上的成像位置，即可計算出和檢測物體之間的距離。

　　分類

　　1.依檢測方式分類

　　檢測方式

　　投光器應設置于受光器的對面，以利投光器的光線投射進入受光器。

　　當檢測物體被放置于投光器與受光器之間，且光線被遮蔽時，進入受光器的光量就會減少。

　　此外，檢測方式與對照型相同，在傳感器的形狀方面，投光部位一體成型，即稱之為“溝型"。

　　特點

　　?動作穩定度高，檢測距離長（數cm～數十m）

　　?即使檢測物體的通過路徑改變，檢測位置仍不變

　　?不易受到檢測物體的光澤、顏色及傾斜度所影響

　　(2) 擴散反射型

　　檢測方式

　　投光器與受光器一體成型，光線不會回到通常受光部位。當投光部位所投射出來的光線一碰到檢測物體，檢測物體所反射出來的光線就會進入受光部位，并讓受光量增加。

　　特點

　　SICK光電傳感器檢測距離為數cm～數m

　　SICK光電傳感器安裝調整更簡便

　　?根據檢測物體的表面狀態（顏色、凹凸面），反射光量、檢測穩定性及距離皆不相同

　　(3) 回歸反射型

　　檢測方式

　　采用投光器、受光器一體成型的方式，通常投光器所投射出來的光線會被反射到設置于對面的反射板上，然后再回到受光部位。當檢測物體的光線被遮蔽時，進入受光部位的光量就會減少。

　　SICK光電傳感器的受光元件采用兩分割光電二極體或位置檢測元件。從檢測物體反射過來的投光光束會在受光元件上成像，且成像位置隨檢測物體的距離而改變、也就是利用“三角測距"原理來進行檢測。

　　下圖所示的是使用兩分割光電二極體的檢測方式。兩分割光電二極體的其中一端（靠近外殼端）稱之為N（Near）側，另一端則稱之為F（Far）側。當所設定距離的位置內存在檢測物體時，反射光會在N側和F側的中間點成像，此時兩側的光電二極體所接收到的光量相等。當檢測物體被放置于比設定距離更靠近傳感器的位置時，反射光則會在N側成像。反之，當檢測物體存在于比設定距離更遠的位置時，反射光會在F側成像。此時，只要計算傳感器通過計算N側受光量和F側受光量的差值，即可判斷出檢測物體的位置。

　　SICK光電傳感器功能指的是不檢測大于設定距離的背景物（輸送帶）。

　　FGS功能指的是不檢測小近設定距離的物體，以及返回受光器的光量小于規定值的物體，反過來說就是只檢測傳送帶的一種功能。返回受光器的光量較少的物體

　　大致可分為以下三類：

　　1.檢測物體的反射率極低，也就是比黑紙更黑的物體

　　2.反射光幾乎會全部回到投光側，如鏡面物體

　　3.反射光量大，且朝任意方向散射的凹凸光澤面等物體。在第C的情況下，當檢測物體移動時，可能暫時會有反射光回到受光側，這時必須使用OFF延遲計時器等以避免發生顫振（chattering）等情形。

　　檢測方式

　　與擴散反射型一樣，采用接收來自檢測物體的反射光的方式來進行檢測。擁有限定投射光束與受光區域的光學系統，因此傳感器只能檢測與傳感器之間保持固定距離（投光光束及受光區域重疊的范圍）的檢測物體。如右圖所示，（A）的位置無法檢測到檢測物體，但是（B）的位置則否。

　　特點

　　SICK光電傳感器可限定與傳感器之間的距離，并只在此范圍內有檢測物體時進行檢測

　　SICK光電傳感器不易受到檢測物體的顏色所影響

　　SICK光電傳感器不易受到檢測物體光澤、傾斜度影響

　　2.依結構分類

　　光電傳感器通常由投光部位、受光部位、放大部位、控制部位及電源部位等所組成，根據其構成狀態，可分為以下幾類：

　　(1) 增幅器分離型

　　只將投光部和受光部分離，分別架構投光器和受光器（對照型），或者制作成一體成型的投光器受光器（反射型）。其他放大部位和控制部位則制作成一體成型的放大器單元。

　　(2) 放大器內建型

　　電源部位以外為一體型（對照型分為包含投光部位的投光器和包含受光部位、放大部位及控制部位的受光器）。電源部位則單獨制作成電源模組。

　　特點

　　?受光部位、放大部位及控制部位采一體成型方式，負責微小訊號接收的訊號線不需要迂回繞接，因此不易受到干擾影響

　　?配線工時低于放大器分離型

　　?一般來說，體積雖然大于放大器分離型，但無感度調整功能型的體積輕巧，毫不遜于前者

　　(3) 電源內建型

　　從投光器、受光器到電源部位皆采一體成型方式。

　　特點

　　?可直接連接商用電源，且受光器可以提供直接容量較大的控制輸出

　　?投光器、受光器內置電源變壓器等，因此與其他類型相比，體積更為龐大

　　(4) 區域傳感器

　　投光部、受光部為多光軸（對照型）配合用途可以選擇傳感器的檢測幅度

　　特點

　　?可以感測大范圍

　　?適合用于揀選零組件

　　應用領域

　　光電傳感器是目前產量最多、應用的傳感器之一，廣泛應用于檢測與工業自動化控制等多種領域。

　　光電傳感器煙塵濁度監測

　　防止工業煙塵污染是環保的重要任務之一。為了消除工業煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監測、自動顯示和超標報警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。

　　煙霧報警器也是用光電傳感器作為核心部件，可以用來測量煙的濃度，它由紅外發光二極管及光電三極管組成，但二者不在同一平面上(有一定角度)。在無煙狀態時，光電三極管接收不到紅外線；當煙霧進入到感應室后，煙霧粒子會將部分光束散射到光電三極管上，當煙霧的濃度逐漸加大時，就會有更多的光束被散射到感應器上，當到達傳感器的光束達到一定的程度，蜂鳴器就會發出報警信號。

　　條形碼掃描筆中的光電傳感器

　　當掃描筆頭在條形碼上移動時，若遇到黑色線條，發光二極管的光線將被黑線吸收，光敏三極管接收不到反射光，呈高阻抗，處于截止狀態。當遇到白色間隔時，發 光二極管所發出的光線，被反射到光敏三極管的基極，光敏三極管產生光電流而導通。整個條形碼被掃描過之后，光敏三極管將條形碼變形一個個電脈沖信號，該信 號經放大、整形后便形成脈沖列，再經計算機處理，完成對條形碼信息的識別。

　　光電傳感器在點鈔機中計數作用

　　點鈔機中的組成之一就是光電傳感器。點鈔機的計數器采用非接觸式紅外光電檢測技術，具有結構簡單、精度高和響應速度快等優點。

　　點鈔機的計數器采用兩組紅外光電傳感器。每一個傳感器由一個紅外發光二極管和一個接收紅外光的光敏三極管組成，兩者之間留有適當距離。

　　當無通過時，接收管受光照而導通，輸出為0。當有通過瞬間，擋住紅外光，接收管光通量不足，輸出為1。通過后，接收管又接收到紅外光導通。這樣就在該部分電路輸出端產生一個脈沖信號，這些信號經后續電路整形放大后輸入單片機，單片機驅動執行電機，并相應完成計數和顯示。點鈔機之所以采用兩組光電傳感器，是為了檢測的完整性，避免殘幣被計入。

　　通過光電傳感器來檢測的計數情況進而實現目的累計，最后用液晶及外部顯示部分直觀地將示給用戶，并且在出現異常時可自動向用戶報警。

　　光電傳感器在自動抄表系統應用

　　隨著微電子技術、傳感器技術、計算機技術及現代通訊技術的發展，可以利用光電傳感器來研制自動抄表系統。電能表的鋁盤受電渦流和磁場的作用下產生的轉矩驅動而旋轉。采用光電傳感器則可將鋁盤的轉數轉換成脈沖數。

　　如：在旋轉的光亮的鋁盤上局部涂黑，再配以反射式光電發射接收對管，則當鋁盤旋轉時，在局部涂黑處便產生脈沖，并可將鋁盤的轉數采樣轉換為相應的脈沖數，并經光電耦合隔離電路，送至CPU的T0端口進行計數處理。采用光電耦合隔離器可有效地防止干擾信號進入微機。再結合其它傳輸方式便可以形成自動抄表系統。

　　光電傳感器在自動化生產線上應用

　　光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優點，在輕工自動機上廣泛應用。

　　由于光電傳感器對紅外輻射或可見光都特別靈敏，因而就更加容易成為激光攻擊的目標。此外，電子系統及傳感器本身還極易受到激光產生的熱噪聲和電磁噪聲的干擾而無法正常工作。